DU RECEPTEUR SUPERHETERODYNE A

L’ANALYSEUR DE SPECTRE A BALAYAGE

ONDEXPO 2015

Espace Ecully

HP 8566 (1980) SOLISTOR (1956)

Jacques Collange

Jean-pierre Lievre

F5CNQ

UNE TRANSITION TECHNIQUE

Philips 834 (1930)

Amplification directe

Philips 521 (1934)

Ampli HF

Problème : améliorer sensibilité et sélectivité

Ampli HF

(accordé) Détecteur Ampli BF

Superhétérodyne : changement de fréquence

Détecteur Ampli BF Ampli FI

Oscillateur Local

Mélangeur

F5CNQ

LES INVENTEURS

Edwin Armstrong (1890-1954)

Le premier portable ! Lucien Lévy (1892-1965)

Superhétérodynette …

• L'atout principal de l'amplification directe, c'est quelle ne comporte qu'une seule détection (*),

agissant sur des signaux déja trés puissants. Or on sait de mieux en mieux que la grande coupable

des altérations de la musique, c'est la détection et la première détection (ou modulation) du super qui

travaille dans des conditions particulièrement défavorables. • La technique radio électrique n'est pas immuable, et, si l'on peut être en retard sur elle - certains

nous en donnent d'affligeantes preuves - on peut aussi être en avance.... Il va de soi qu'un poste

juste-milieu implique,..., une sélectivité poussée : ce sera un superhétérodyne....

Deux avis opposés (« Toute la radio 1934 ») :

F5CNQ

UN PEU DE MATHS …

• Signal modulé en amplitude :

( ) 1 cos(2 ) cos(2 )m ps t A m f t f t

Taux de modulation modulation porteuse

( ) cos(2 ) cos(2 ( ) ) cos(2 ( ) )2

p m p m

ms t A fpt f f t f f t

Spectre

pf p mf fp mf f

A

Am/2 Am/2

Amplitude

fréquence

F5CNQ

UN PEU DE MATHS

• Changement de fréquence : multiplication par Bcos(2fOLt)

'( ) 1 cos(2 ) cos(2 ( ) ) cos(2 ( ) )2

m p OL p OL

ABs t m f t f f t f f t

Spectre

pf p OLf fp OLf f

Translations

ampli FI OL pf f

(B) (H) Amplitude

fréquence

'( ) ( ). cos(2 )OLs t s t B f t

• La multiplication entraine une double translation du signal modulé en amplitude, vers les basses et vers les hautes fréquences : F5CNQ

FREQUENCE IMAGE Fréquence image • Le mélangeur reçoit des signaux de fréquences f et fOL. Si on

l’assimile à un simple multiplieur il délivre en sortie des signaux de fréquences : et .

• Supposons que la fréquence de l’oscillateur local soit supérieure à la fréquence désirée fd, on a :

• Malheureusement un signal d’entrée de fréquence

sera aussi détecté ! C’est la fréquence « image », on l’élimine par filtrage à l’entrée (« préselecteur »).

OLf fOLf f

d OL FIf f f

i OL FIf f f OLfdf if

FIf FIfDésirée Image F5CNQ

Maquette de récepteur SUPERHETERODYNE

Suivons le signal …

Détecteur Ampli BF Ampli FI

Oscillateur Local

Mélangeur

Ampli HF

1 2 3 4

Signal modulé en amplitude

1pf MHz

1mf kHz

1,455OLf MHz

455FIf kHzF5CNQ

ANALYSEUR WANDEL GOLTERMANN SNA-3A

20 HZ 180MHz

F5CNQ

Porteuse

Bande latérale

supérieure

Bande latérale

inférieure

Sortie Signal à 1 MHz

modulé en amplitude à 1 kHz

1

Niveau max : - 16 dBm

F5CNQ

Sortie Analyseur centré à fOL – fp

(translation B)

2

OL p FIf f f

FI mf f FI mf f

Niveau max : - 46 dBm

F5CNQ

Sortie Analyseur centré à fOL + fp

(translation H)

2

'OL pf f f

' mf f' mf f

Niveau max : - 55 dBm

F5CNQ

Sortie 3

A.S. centré à fFI = fOL – fp A.S. centré à fOl + fp

FIf

FI mf fFI mf f

Plus rien …

Niveau max : - 18 dBm

F5CNQ

Sorties 4 3

Oscillogrammes

3 4

Signal modulé en amplitude Signal détecté

Sur le signal détecté noter :

• la présence d’une composante continue éliminée par filtrage passe-haut

• la présence d’un « résidu » à la fréquence fFI, éliminé par filtrage passe-bas.

F5CNQ

Signal et spectre

• Un signal s (ex : signal carré) évolue au cours du temps : s = s(t).

• L’oscilloscope permet de visualiser s(t) :

• Selon J.FOURIER ce signal peut être décomposé en une somme de fonctions sinusoïdales : Ancos(2fnt+jn)

• L’analyseur de spectre permet de

visualiser les amplitudes An en fonction des fréquences fn.

Cela constitue le spectre A(f) du signal :

F5CNQ

Représentation temporelle

Représentation fréquentielle

Signal et spectre

Double représentation du signal : temporelle et fréquentielle

Temps t

Fréquence f

Amplitude A

F5CNQ

ENCORE UN PEU DE MATHS ! Signal périodique : décomposition en série de Fourier • Soit s(t) un signal périodique de forme quelconque :

s(t)

t

• J.Fourier a montré qu’il peut s’écrire comme la somme de fonctions

sinusoïdales de pulsations n.w (w = 2/T), fondamental et harmoniques :

1 1 2 2( ) cos( ) cos(2 ) ... cos( ) ...o n ns t A A t A wt A n tw j j w j

Valeur moyenne

Amplitude du fondamental

Amplitude de l’harmonique 2

Amplitude de l’harmonique n

J.Fourier (1768-1830) F5CNQ

QUELQUES EXEMPLES DE SPECTRES

4 cos( ) cos(3 ) cos( )( ) ... ...

1 3

E t t n ts t

n

w w w

( ) cos( )s t E tw

2 2 2

8 cos( ) cos(3 ) cos( )( ) ... ...

1 3

E t t n ts t

n

w w w

Oscillogramme Spectre

t T

E

T

E

E

T

t

t

F5CNQ

ANALYSEUR DE SPECTRE • L’analyseur de spectre à balayage

utilise le principe du récepteur superhétérodyne : il procède par translation de fréquence

• Il va nous donner le spectre S(f) d’un

signal périodique : s(t)

• Pour expliquer le principe de fonctionnement on utilisera une maquette construite pour l’enseignement. Les fonctions

essentielles sont présentes. • Cette maquette n’a pas les

performances d’un appareil de

mesure professionnel.

HP 3580 (0-50 kHz)

Maquette (R.MOREAU) (0-80 kHz)

F5CNQ

Principe de l’analyseur de spectre à balayage

F5CNQ

Choix des fréquences

• Bande de fréquence analysée : 0 – 80 kHz

• Filtre passe bande : fréquence centrale fFI = 40 kHz

• Oscillateur local : fOL = 40 kHz – 120 kHz

• Equation traduisant le changement de fréquences :

FI OLf f f

• Pour fFI et fOl fixées cette équation a deux solutions :

1 2etOL FI OL FIf f f f f f

• Il faut qu’à une fréquence de l’oscillateur local ne corresponde

qu’une fréquence du signal ! Il faut se débarrasser de la fréquence image …

F5CNQ

Nécessité du filtre passe-bas

• Un exemple : lorsque l’oscillateur local est à 55 kHz, la sortie du multiplieur

(mélangeur) donne un signal à 40 kHz pour deux fréquences (éventuellement) présentes à l’entrée : 15 et 95 kHz, car :

55 – 15 = 40 et 95 – 55 = 40

• Sur l’écran on a donc une seule raie pour deux composantes spectrales !

Il faut éliminer à l’entrée la fréquence 95 kHz.

• Plus généralement il faut éliminer toutes les fréquences supérieures à 80 kHz

signalf

80 kHz 0

40 kHzFIf OLf40 kHz 120 kHz 55 kHz

15 kHz

80 kHz 160 kHz

imagef

95 kHz F5CNQ

Filtre passe bas

F5CNQ

Filtre passe bas Ordre 6 et fréquence de coupure : 80 kHz

F5CNQ

Rampe et Oscillateur local

0 80

F5CNQ

Le générateur de rampes et le VCO

• Un oscillateur génère des rampes : variation linéaire de tension au cours du temps. Cette tension assure le balayage horizontal qui correspond à la bande analysée : 0 à 80 kHz.

• Cette rampe fait aussi varier linéairement la fréquence de l’oscillateur local (VCO), de 40 à 120 kHz.

• A 40 kHz, le balayage est au zéro de l’échelle

horizontale et à 120 kHz il est au point 80 kHz.

F5CNQ

Générateur de rampe - Oscillateur local

Sortie OL

Sortie Rampe

VCO

Générateur de rampe

x(t)

F5CNQ

Multiplieur (mélangeur)

F5CNQ

Principe du mélangeur

( ) cos( )x t A tw

( ) cos( )oy t B tw f

F5CNQ

Multiplieur

y(t) = e(t).x(t) (grandeurs en volts !)

F5CNQ

Filtre passe bande

• La multiplication, opération non linéaire, crée de nouvelles fréquences : la somme et la différence des fréquences de e(t) et x(t).

• Le filtre passe bande permet de choisir, dans notre

cas ce sera la fréquence différence . • Rappelons que sa fréquence centrale est 40 kHz. Il

est il est à bande étroite, environ 1kHz, de manière à bien séparer les composantes spectrales.

F5CNQ

Filtre passe bande

F5CNQ

Filtre passe bande

P permet de faire varier la bande passante du filtre

F5CNQ

Détection

• A la sortie du filtre passe bande nous disposons d’une

tension alternative sinusoïdale dont l’amplitude est

proportionnelle à celle de la composante spectrale de e(t) à la fréquence affichée (car l’amplitude de x(t) est

constante). • Cette tension est détectée et sa valeur crête est

transmise à l’amplificateur vertical de l’oscilloscope. • Un détection sans seuil est effectuée pour ne pas

« oublier » les signaux de faible amplitude.

F5CNQ

Détection

F5CNQ

Détecteur de crêtes sans seuil

F5CNQ

Les réglages de base de l’analyseur

• Fréquence centrale • Span : espace de fréquence analysé • Niveau de référence • Atténuateur • Résolution RBW • Filtre vidéo VBW • Durée de balayage SWP

F5CNQ

Atténuation • Pour ne pas saturer le mélangeur il faut atténuer le

signal d’entrée. Pour une atténuation de 10 dB par exemple, le gain de l’ampli après mélange est augmenté de 10 dB. Mais le bruit est aussi augmenté de 10 dB ce qui fait monter le plancher de bruit de 10 db

F5CNQ

Fréquence centrale : 1 MHz Modulation d’amplitude :1 kHz

F5CNQ

Niveau de référence : -30 dBm Atténuation : 10 dB

F5CNQ

Résolution RBW : 100Hz Filtre vidéo VBW : 100Hz

Durée de balayage SWP : 1.0 s

F5CNQ

Influence de la RBW

F5CNQ

Influence de la RBW sur le plancher de bruit

• Ecoutez la variation du niveau de bruit quand vous passez de la SSB à la CW !!!! • Ou quand vous modifiez la largeur de bande de l’amplificateur FI.

F5CNQ

Un compromis nécessaire • Les paramètres : SPAN (bande Df analysée), RBW (largeur B du filtre passe bande) et SWP (T durée de balayage) ne peuvent pas être choisis indépendamment.

• Il est clair qu’avec une résolution élevée et une bande

analysée large la durée de balayage doit être suffisante.

• On retient en général la condition suivante :

2

4

f B

T

D

(le 4 est un facteur de « sécurité »)

F5CNQ

Un compromis à respecter !

Alerte !

Df B

T

F5CNQ

Mesures absolues et relatives

Mesures absolues : N(dBv) = 20.log (V/Vref) N(dBm)=10.log(P/Pref) où P = V2/R avec Pref = 1mW et R = 50 ohms

Mesures relatives : N(dB)=20.log(V1 /V2)=10.log(P1/P2)

F5CNQ

• Le filtre vidéo situé entre la détection et l’affichage est

un filtre passe bas qui permet de lisser la courbe et de la « sortir » du bruit de fond.

Influence du filtre vidéo

F5CNQ

Applications à la B.F. Test d’un ampli Hi-Fi

2 2 2

2 3 4 ...0,016%d

H H Ht

F

I. Mesure de la distorsion harmonique

- on applique à l’entrée un signal sinusoïdal à 1 kHz - le spectre en sortie montre l’apparition d’harmoniques - ces harmoniques sont dans la bande audio et donc audibles …

Amplitude des principales raies

F : 9,2 dB 2,9 V

H1 : -76 dB 1,6.10-4 V

H2 : -73 dB 2,1.10-4 V H3 : -75 dB 1,8.10-4 ….

Taux de distorsion harmonique

F

H2 H4 H3 H5 …

F5CNQ

II. Mesure de la distorsion d’intermodulation - on applique à l’entrée la somme de deux signaux sinusoïdaux de fréquences f1 = 7 kHz (A1 = 0,25 V) et f2 = 60 Hz (A2 = 1 V). - si le système est linéaire on ne retrouve à la sortie que ces deux fréquences. - si le système présente des non linéarités on retrouve aussi à la sortie des fréquences de la forme : mf1 +/- nf2

f1

f1-f2 f1+f2

Taux de distorsion d’intermodulation

0,03 %dit

Applications à la B.F. Test d’un ampli Hi-Fi

F5CNQ

CONCLUSION

CE PPT SERA MIS SUR LE SITE DE L’ALR.

UNE LECTURE ATTENTIVE ME SEMBLE NECESSAIRE POUR ASSIMILER LES PRINCIPES ET LA MISE EN ŒUVRE.

Jean pierre LIEVRE et Jacques COLLANGE,F5CNQ,vous remercient de votre attention.

F5CNQ